Linux嵌入式系統(tǒng)的綜述性芯恐戰(zhàn)嵐Linux嵌入式系統(tǒng)的綜述性研究終結版

1、北京建筑工程學院 研究生試題專用紙（課程論文或報告）試題內容：（論文或報告的選題范圍、寫作要求等，附評分標準）本課程考試形式是論文寫作，論文題目自擬，內容可以圍繞嵌入式系統(tǒng)發(fā)展、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)組成、結構、應用等方面進行綜合論述。要求不少于6000字，論文結構按照科技論文寫作結構，應有題目、摘要、標題、結論、參考文獻。論文排版格式可參考附錄電子測量與儀器學報格式要求。成績由平時成績和論文成績兩部分構成，其中平時成績占30，主要包括：出勤、課堂表現(xiàn)、實驗情況等，論文成績占70，主要包括：論文層次性、內容是否充實、格式是否標準、主題是否明確等方面考查。其中論文成績評定如下（100分）：層

2、次性（20分）內容（50分）主題（20分）格式（10分）Linux嵌入式系統(tǒng)的綜述性研究摘 要：Linux以期開放源碼、功能強大、模塊化設計、支持多種硬件平臺、函數(shù)接口符合國際和工業(yè)標準等優(yōu)點，被廣泛的應用于構造嵌入式實時操作系統(tǒng)。文中通過對Linux嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、嵌入式系統(tǒng)Linux分類及結構組成、嵌入式系統(tǒng)Linux應用領域、嵌入式系統(tǒng)Linux開發(fā)流程的介紹，展望了Linux嵌入式系統(tǒng)美好的發(fā)展前景。關鍵字：Linux嵌入式系統(tǒng) Linux應用領域 Linux開發(fā)流程Review research on Linux embedded systemZhao Shuaibing(Be

3、ijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044)Abstract:Linux is widely used in constructing real-time operating system because of the advantages of open-source code, powerful function, modular design, support multi-hardware platforms, function interface with international ind

4、ustry standards. This paper introduces that the Linux embedded system development present situation, classification and structure of Linux embedded system composition, Linux embedded system application domain,Linux embedded system development process, which has good prospects for development on Linu

5、x embedded system.Keywords: Linux embedded system Linux application domain Linux development process0引 言隨著信息化技術的發(fā)展和數(shù)字化產品的普及，以計算機技術、芯片技術和軟件技術為核心的嵌入式系統(tǒng)再度成為當前研究和應用的熱點，通信、計算機、消費電子技術（3C）合一的趨勢正在逐步形成，無所不在的網(wǎng)絡和無所不在的計算（everything connecting, everywhere computing）正在將人類帶入一個嶄新的信息社會。目前，嵌入式系統(tǒng)產品的研制和應用已經成為我國信息化帶動工業(yè)化

6、、工業(yè)化促進信息化發(fā)展的新的國民經濟增長點。隨著消費家電的智能化，嵌入式更顯重要，像我們平常見到的 、PDA、電子字典、可視 、數(shù)字相機、數(shù)字攝像機、機頂盒、交換機、路由器、數(shù)控設備或儀表、汽車電子、家電控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、航天航空設備等等，都是典型的嵌入式系統(tǒng)。據(jù)預測，隨著Internet的迅速發(fā)展和廉價微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)將在日常生活里形成更大的應用領域。文中通過對Linux嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)分類、結構組成及應用領域的研究，體現(xiàn)出Linux嵌入式系統(tǒng)對當今科技發(fā)展具有重大的實際意義。1 Linux嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 1.1 Linux嵌入式系統(tǒng)特點 嵌入式系統(tǒng)是用來控制或監(jiān)視機

7、器、裝置或工廠等的大規(guī)模系統(tǒng)的設備。具體說來，它是電腦軟件和硬件的綜合體；是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，從而能夠適應實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般來說，嵌入式系統(tǒng)不能使用通用型計算機，而且運行的是固化的軟件，終端用戶很難或者不可能改變固件。而Linux也早已成為IT界家喻戶曉的一個名字。概括說來，將Linux應用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)有如下一些優(yōu)點： Linux自身具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運行環(huán)境，并且可以跨越在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具(ICE)的障礙。 內核的完全開放，使得可以自己設計和開發(fā)出真正的硬

8、實時系統(tǒng)；對于軟實時系統(tǒng)，在Linux中也容易得到實現(xiàn)。 強大的網(wǎng)絡支持，使得可以利用Linux的網(wǎng)絡協(xié)議棧將其開發(fā)成為嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧。1.2 Linux嵌入式系統(tǒng)優(yōu)勢 Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢主要有以下幾點： 可應用于多種硬件平臺。Linux已經被移植到多種硬件平臺，這對于經費、時間受限制的研究與開發(fā)項目是很有吸引力的，有利于加快了軟件與硬件的開發(fā)過程。Linux采用一個統(tǒng)一的框架對硬件進行管理，從一個硬件平臺到另一個硬件平臺的改動與上層應用無關。Linux可以隨意地配置，不需要任何的許可證或商家的合作關系，源代碼可以免費得到。這使得采用Linux作為操作系統(tǒng)不會遇

9、到任何關于版權的糾紛。毫無疑問，這會節(jié)省大量的開發(fā)費用。本身內置網(wǎng)絡支持，而目前嵌入式系統(tǒng)對網(wǎng)絡支持要求越來越高。Linux的高度模塊化使添加部件非常容易。 Linux是一個和Unix相似、以內核為基礎的、具有完全的內存訪問控制，支持大量硬件(包括X86，Alpha、ARM和Motorola等現(xiàn)有的大部分芯片)等特性的一種通用操作系統(tǒng)。其程序源碼全部公開，任何人可以修改并在GUN通用公共許可證(GNU General Public License)下發(fā)行。這樣，開發(fā)人員可以對操作系統(tǒng)進行定制，適應其特殊需要。 Linux帶有Unix用戶熟悉的完善的開發(fā)工具，幾乎所有的Unix系統(tǒng)的應用軟件都已

10、移植到了Linux上。Linux還提供了強大的網(wǎng)絡功能，有多種可選擇窗口管理器(X Windows)。其強大的語言編譯器GCC，C+等也可以很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。2 Linux嵌入式系統(tǒng)的分類及結構組成2.1 Linux嵌入式系統(tǒng)的分類 Linux在移動計算平臺、智能工業(yè)控制、金融業(yè)終端系統(tǒng)，甚至軍事領域都有著廣泛的應用前景，Linux系統(tǒng)具體分為以下幾類： RT-Linux：它由美國墨西哥理工學院開發(fā)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。RT-Linux應用于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領域。RT-Linux開發(fā)者并沒有針對實時操作系統(tǒng)的特性而重寫Li

11、nux的內核，因為這樣做的工作量非常大，而且要保證兼容性也非常困難。為此，RT-Linux提出了精巧的內核，并把標準的Linux核心作為實時核心的一個進程，同用戶的實時進程一起調度。這樣對Linux內核的改動非常小，并且充分利用了Linux下現(xiàn)有的豐富的軟件資源。 uClinux：uCLinux是Lineo公司的主打產品，同時也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元MMU(Memory Management Unit) 的嵌入式系統(tǒng)而設計的。它秉承了標準Linux的優(yōu)良特性，經過各方面的小型化改造，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Lin

12、ux。雖然它的體積很小，卻仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持和標準豐富的API。它專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，目前已支持多款CPU。其編譯后目標文件可控制在幾百KB數(shù)量級，并已經被成功地移植到很多平臺上。 Embedix： Embedix是由嵌入式Linux行業(yè)主要廠商之一Luneo推出的，是根據(jù)嵌入式應用系統(tǒng)的特點重新設計的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過25種的Linux系統(tǒng)服務，包括Web服務器等。系統(tǒng)需要最小8MB內存，3MB ROM或快速閃存。Embedix基于Linux 2.2內核，并已經成功地移植到

13、了Intel x86和PowerPC處理器系列上。像其它的Linux版本一樣，Embedix可以免費獲得。Luneo還發(fā)布了另一個重要的軟件產品，它可以讓在Windows CE上運行的程序能夠在Embedix上運行。Luneo還將計劃推出Embedix的開發(fā)調試工具包、基于圖形界面的瀏覽器等?？梢哉f，Embedix是一種完整的嵌入式Linux解決方案。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 紅旗嵌入式Linux：由北京中科院紅旗軟件公司推出的嵌入式Linux是國內做得較好的一款嵌入式操作系統(tǒng)。目前，中科院計算所自行開發(fā)的開放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)Easy Embedded OS(EEO

14、S)。該款嵌入式操作系統(tǒng)重點支持p-Java。系統(tǒng)目標一方面是小型化，另一方面能重用Linux的驅動和其它模塊。由于有中科院計算所的強大科研力量做后盾，EEOS有望發(fā)展成為功能完善、穩(wěn)定、可靠的國產嵌入式操作系統(tǒng)平臺。2.2 Linux嵌入式系統(tǒng)的結構組成根據(jù)國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。一般而言，整個嵌入式系統(tǒng)的體系結構可以分成四個部

15、分：嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件。2.2.1 Linux嵌入式處理器 嵌入式處理器與通用處理器最大的不同點在于，嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群所專門設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU中許多由板卡完成的任務集成到芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。嵌入式處理器的體系結構經歷了從CISC至RISC和Compact RISC的轉變，位數(shù)則由4位、8位、16位、32位逐步發(fā)展到64位。目前常用的嵌入式處理器可分為低端的嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、中高端的嵌入式微處理器（Embedded

16、Micro Processor Unit，EMPU）、用于計算機通信領域的嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）和高度集成的嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip，SOC）。目前，以ARM為核心的嵌入式處理器的特點：耗電少功能強、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。目前，基于Linux操作系統(tǒng)的ARM處理器發(fā)展過程如下: 圖1 Linux操作系統(tǒng)的ARM處理器發(fā)展嵌入式外圍設備 在嵌入系統(tǒng)硬件系統(tǒng)中，除了中心控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）以外，用于完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其他部件，事實上都可以算作嵌

17、入式外圍設備。目前常用的嵌入式外圍設備按功能可以分為存儲設備、通信設備和顯示設備三類。 存儲設備主要用于各類數(shù)據(jù)的存儲，常用的有靜態(tài)易失型存儲器（RAM、SRAM）、動態(tài)存儲器（DRAM）和非易失型存儲器（ROM、EPROM、EEPROM、FLASH）三種，其中FLASH憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領域內得到了廣泛應用。 通信設備可以直接在嵌入式系統(tǒng)中應用，包括RS-232接口（串行通信接口）、SPI（串行外圍設備接口）、IrDA（紅外線接口）、I2C（現(xiàn)場總線）、USB（通用串行總線接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）等。 外圍顯示設備通常使用的是陰

18、極射線管（CRT）、液晶顯示器（LCD）和觸摸板（Touch Panel）等。圖2 嵌入式外圍設備接口嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)定義：為了使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)更加方便和快捷，需要有專門負責管理存儲器分配、中斷處理、任務調度等功能的軟件模塊。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應用的系統(tǒng)軟件，是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動程序、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形用戶界面（GUI）等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理復雜的系統(tǒng)資源，能夠對硬件進行抽象，能夠提供庫函數(shù)、驅動程序、開發(fā)工具集等。但與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時性、硬

19、件依賴性、軟件固化性以及應用專用性等方面，具有更加鮮明的特點。 圖3 Linux嵌入式系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)根據(jù)應用場合可以分為兩大類：一類是面向消費電子產品的非實時系統(tǒng)，這類設備包括個人數(shù)字助理（PDA）、移動 、機頂盒（STB）等；另一類則是面向控制、通信、醫(yī)療等領域的實時操作系統(tǒng)，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX等。實時系統(tǒng)（Real Time System）是一種能夠在指定或者確定時間內完成系統(tǒng)功能，并且對外部和內部事件在同步或者異步時間內能做出及時響應的系統(tǒng)。在實時系統(tǒng)中，操作的正確性不僅依賴于邏輯設計的正確程度，而且與這些操作進行的時間有關，也就是

20、說，實時系統(tǒng)對邏輯和時序的要求非常嚴格，如果邏輯和時序控制出現(xiàn)偏差將會產生嚴重后果。2.2.4 Linux嵌入式應用軟件 嵌入式應用軟件是針對特定應用領域，基于某一固定的硬件平臺，用來達到用戶預期目標的計算機軟件。由于用戶任務可能有時間和精度上的要求，因此有些嵌入式應用軟件需要特定嵌入式操作系統(tǒng)的支持。嵌入式應用軟件和普通應用軟件有一定的區(qū)別，它不僅要求其準確性、安全性和穩(wěn)定性等方面能夠滿足實際應用的需要，而且還要盡可能地進行優(yōu)化，以減少對系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。3 Linux嵌入式系統(tǒng)應用領域 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6115.htm嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于

21、20世紀60年代晚期，它最初被用于控制機電 交換機，如今已被廣泛的應用于工業(yè)制造、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等眾多領域。HYPERLINK :/baike.baidu /view/1130583.htm計算機系統(tǒng)核心CPU，每年在全球范圍內的產量大概在二十億顆左右，其中超過80%應用于各類專用性很強的HYPERLINK :/baike.baidu /view/6115.htm嵌入式系統(tǒng)。一般的說，凡是帶有HYPERLINK :/baike.baidu /view/1125.htm微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為HYPERLINK :/baike.

22、baidu /view/6115.htm嵌入式系統(tǒng)。嵌入式Linux的應用領域非常廣泛，主要的應用領域有信息家電、PDA 、機頂盒、Digital Telephone、Answering Machine、Screen Phone 、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、Ethernet Switches、Router、Bridge、Hub、Remote access servers、ATM、Frame relay 、遠程通信、醫(yī)療電子、交通運輸計算機外設、工業(yè)控制、航空航天領域等，如圖三所示。圖4 Linux嵌入式系統(tǒng)應用對于桌面系統(tǒng)，微軟的Windows有著強勁的優(yōu)勢，不要期望一般的PC用戶很快轉向使用Linux。但在

23、嵌入式及實時應用中，操作系統(tǒng)是不可見的、隱藏的技術，只對應用提供相關的支持，諸如一個非電腦設備。對于用戶更樂于使用嵌入式Linux的應用產品，而不是使用Linux。對于系統(tǒng)開發(fā)者而言，Linux如下的特點是選擇的關鍵：(1)源代碼可自由獲得。(2)無單個產品的版權費。(3)支持大量的硬件設備。(4)Linux已經是一個全球性的標準。 (5)Linux是一個成熟的、高效的、健壯的、可靠的、模塊化的、非常易于配置的操作系統(tǒng)。嵌入式Linux已經不可逆轉地改變了嵌入式實時操作系統(tǒng)的市場前景。開發(fā)者擁有了對他們的嵌入式操作系統(tǒng)更好的控制權；制造商則在成本以及令人頭痛的單一產品版權費問題上獲得前所未有的

24、收益，而最終用戶則可得到更有價值的且價格較低的產品。4 Linux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程在一個嵌入式系統(tǒng)中使用Linux開發(fā)，根據(jù)應用需求的不同有不同的配置開發(fā)方法，但是一般都要經過如下的過程： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 建立開發(fā)環(huán)境操作系統(tǒng)一般使用RedHat-Linux，版本從7到9都可以，選擇定制安裝或全部安裝，通過網(wǎng)絡下載相應的GCC交叉編譯器進行安裝或者安裝產品廠家提供的交叉編譯器。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 配置開發(fā)主機配置MINICOM，一般的參數(shù)為波特率為115200bps，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1，無奇偶校驗，軟件硬件流控設為無。在Wi

25、ndows下的超級終端的配置也是這樣的。MINICOM軟件的作用是作為調試嵌入式開發(fā)板的信息輸出的監(jiān)視器和鍵盤輸入的工具。配置網(wǎng)絡，主要是配置NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，需要關閉防火墻，簡化嵌入式網(wǎng)絡調試環(huán)境設置過程。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 建立引導裝載程序BOOTLOADER從網(wǎng)絡上下載一些公開源代碼的BOOTLOADER，如U-BOOT、BLOB、VIVI、LILO、ARM-BOOT、RED-BOOT等，根據(jù)自己具體的芯片進行移植修改。有些芯片沒有內置引導裝載程序，例如三星的ARM7、ARM9系列芯片，這樣就需要編寫開發(fā)板上Flash的燒寫程序，網(wǎng)絡上有免費下載的Wind

26、ows下通過JTAG并口簡易仿真器燒寫ARM外圍Flash芯片的燒寫程序，也有Linux下的公開源代碼的J-Flash程序。如果不能燒寫自己的開發(fā)板，就需要根據(jù)自己的具體電路進行源代碼修改。這是系統(tǒng)正常運行的第一步。如果購買了廠家的仿真器當然比較容易燒寫Flash，這對于需要迅速開發(fā)自己產品的人來說可以極大地提高開發(fā)速度，但是其中的核心技術是無法了解的。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 下載別人已經移植好的Linux操作系統(tǒng)如CLinux、ARM-Linux、PPC-Linux等，如果有專門針對所使用的CPU移植好的Linux操作系統(tǒng)那是再好不過的，下載后再添加自己的特定硬件的

27、驅動程序，進行調試修改，對于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調試驅動，對于CLinux這樣的系統(tǒng)則需編譯進內核進行調試。 = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 建立根文件系統(tǒng)從 下載使用BUSYBOX軟件進行功能裁減，產生一個最基本的根文件系統(tǒng)，再根據(jù)自己的應用需要添加其他程序。默認的啟動腳本一般都不會符合應用的需要，所以就要修改根文件系統(tǒng)中的啟動腳本，它的存放位置位于/etc目錄下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile、/etc/.profile等，自動掛裝文件系統(tǒng)的配置文件/etc/fstab，具體情況會隨系統(tǒng)不同而不同。根文件系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中一般設

28、為只讀，需要使用mkcramfs、genromfs等工具產生燒寫映像文件。 = 6 * GB3 * MERGEFORMAT 建立應用程序的Flash磁盤分區(qū)一般使用JFFS2或YAFFS文件系統(tǒng)，這需要在內核中提供這些文件系統(tǒng)的驅動，有的系統(tǒng)使用一個線性Flash（NOR型）512KB32MB，有的系統(tǒng)使用非線性Flash（NAND型）8512MB，有的兩個同時使用，需要根據(jù)應用規(guī)劃Flash的分區(qū)方案。 = 7 * GB3 * MERGEFORMAT 開發(fā)應用程序應用程序可以放入根文件系統(tǒng)中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統(tǒng)中，有的應用不使用根文件系統(tǒng)，直接將應用程序和內核設計在一起

29、，這有點類似于COS-II的方式。 = 8 * GB3 * MERGEFORMAT 燒寫內核、根文件系統(tǒng)、應用程序 = 9 * GB3 * MERGEFORMAT 發(fā)布產品5 Linux嵌入式系統(tǒng)發(fā)展前景Linux是一個領先的操作系統(tǒng)，可以運行在服務器和其他大型平臺之上，如大型機和超級計算機。世界上500個最快的超級計算機90%以上運行Linux發(fā)行版或變種，最快的前10名超級計算機運行的都是Linux操作系統(tǒng)。 Linux也廣泛應用在嵌入式設備上，如 、平板電腦、路由器、電視和電子游戲機等。在移動設備上廣泛使用的Android操作系統(tǒng)就是創(chuàng)建在Linux內核之上。因此Linux嵌入式系統(tǒng)發(fā)展

30、前景擁有非常好的優(yōu)勢。從下圖中可看出發(fā)展趨勢。 圖5 Linux嵌入式技術發(fā)展前景Linux嵌入式系統(tǒng)有巨大的市場前景和商業(yè)機會，出現(xiàn)了大量的專業(yè)公司和產品，如：HYPERLINK :/baike.baidu /view/1210860.htmMontavistaLineo Emi等，有行業(yè)協(xié)會如Embedded Linux Consortum等，得到世界著名計算機公司和OEM板級廠商的支持，如IBM Motorola Intel等。傳統(tǒng)的HYPERLINK :/baike.baidu /view/6115.htm嵌入式系統(tǒng)廠商也采用了Linux策略，如Lynxworks Windriver QNX等，還有Internet上的大量嵌入式Linux愛好者的支持。嵌入式Linux支持幾乎所有的嵌入式CPU和被移植